Matemaattinen Analyysi

Samankaltaiset tiedostot
Matemaattinen Analyysi

Matemaattinen Analyysi

Matemaattinen Analyysi

Matemaattinen Analyysi

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

a 1 y 1 (x) + a 2 y 2 (x) = 0 vain jos a 1 = a 2 = 0

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Insinöörimatematiikka D

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Insinöörimatematiikka D

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Esimerkki: Tarkastellaan korkeudella h ht () putoavaa kappaletta, jonka massa on m (ks. kuva).

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Insinöörimatematiikka D

1 Di erentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Dierentiaaliyhtälöistä

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

Dierentiaaliyhtälöistä

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

MS-A Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Harjoitus 6 loppuviikko

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Mat Matematiikan peruskurssi K2

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Insinöörimatematiikka D

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Insinöörimatematiikka D

4 KORKEAMMAN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT. Kertaluvun n lineaarinen differentiaaliyhtälö ns. standardimuodossa on

Insinöörimatematiikka D

Differentiaaliyhtälöt

Differentiaaliyhtälöt I Ratkaisuehdotuksia, 2. harjoitus, kevät Etsi seuraavien yhtälöiden yleiset ratkaisut (Tässä = d

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

5.2.1 Separoituva DY. 5.2 I kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Insinöörimatematiikka D

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

Talousmatematiikan perusteet

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaarisista differentiaaliyhtälöistä

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

(a) Järjestellään yhtälöitä siten, että vasemmalle puolelle jää vain y i ja oikealle puolelle muut

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

1 Komparatiivinen statiikka ja implisiittifunktiolause

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

Numeeriset menetelmät

Jouni Sampo. 15. huhtikuuta 2013

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

Dierentiaaliyhtälöistä

BM20A5830 Differentiaaliyhtälöiden peruskurssi

dy dx = y x + 1 dy dx = u+xdu dx, u = y/x, u+x du dx = u+ 1 sinu eli du dx = 1 1 Erotetaan muuttujat ja integroidaan puolittain: y = xln(ln(cx 2 )).

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

3. Laske osittaisintegroinnin avulla seuraavat integraalit

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

[xk r k ] T Q[x k r k ] + u T k Ru k. }.

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

800345A Differentiaaliyhtälöt I. Seppo Heikkilä, Martti Kumpulainen, Janne Oinas

2.3 Juurien laatu. Juurien ja kertoimien väliset yhtälöt. Jako tekijöihin. b b 4ac = 2

Häiriöteoriaa ja herkkyysanalyysiä. malleissa on usein pieniä/suuria parametreja. miten yksinkertaistetaan mallia kun parametri menee rajalle

Differentiaaliyhtälösysteemit sekä niiden tasapainopisteiden stabiilisuus

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

13. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Rollen lause polynomeille

v AB q(t) = q(t) v AB p(t) v B V B ṗ(t) = q(t) v AB Φ(t, τ) = e A(t τ). e A = I + A + A2 2! + A3 = exp(a D (t τ)) (I + A N (t τ)), A N = =

Transkriptio:

Vaasan yliopisto, 009-010 / ORMS1010 Matemaattinen Analyysi 8. harjoitus 1. Ratkaise y + y + y = x. Kommentti: Yleinen työlista ratkaistaessa lineaarista, vakiokertoimista toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöä on: Karakteristinen yhtälö Homogeeniyhtälön (HY) yleinen ratkaisu y 0 (x) saadaan karakteristisen yhtälön juurien perusteella. Differentiyhtälön (DY) yksityisratkaisu y 1 (x) on mikä tahansa ratkaisu, joka toteuttaa DY:n. Saadaan yritteellä (tai vakiota varioimalla). Differentiyhtälön (DY) yleinen ratkaisu on HY:n yleisen ratkaisun ja DY:n yksitryisratkaisun summa, y(x) = y 0 (x) + y 1 (x) Alkuarvot y(0) =..., y (0) =... tms. määräävät yleisen ratkaisun vakiot C 1 ja C. Nyt kyseessä on lineaarinen, vakiokertoiminen, toisen kertaluvun DY ilman alkuarvoja. Vastaukseksi tulee siis DY:n yleinen ratkaisu, jossa on kaksi integroimisvakiota C 1 ja C. Karakteristinen yhtälö: r + r + = 0 r = ± 4 1 = ± ( 1) 4 ± i = = 1 ± i 1 r 1 = 1 + i, r = 1 i. (α = 1, β = 1) Homogeeniyhtälön (HY) yleinen ratkaisu y 0 (x). Kun karakteristisen yhtälön juuret ovat kompleksiset r = α ± βi, niin HY:n yleinen ratkaisu on e αx (C 1 cos(βx) +C sin(βx)). Nyt α = 1 ja β = 1, joten y 0 (x) = e x (C 1 cosx +C sinx). Differentiyhtälön (DY) yksityisratkaisu y 1 (x). Tehdään yrite y 1 (x) = Ax + B y 1 (x) = Ax + B y 1 (x) = A y 1 (x) = 0 Siis alkuperäisen DY:n eräs yksityisratkaisu on DY 0 + (A) + (Ax + B) = x Ax + (A + B) = x A = 0.5, ja B = 0.5 y 1 (x) = 0.5x 0.5 Differentiyhtälön (DY) yleinen ratkaisu on y(x) = y 0 (x) + y 1 (x), siis y(x) = e x (C 1 cosx +C sinx) + 0.5x 0.5

. Ratkaise y + 6y + 5y = 100, kun y(0) = 4 ja y (0) = Kommentti: Yleinen työlista on sama kuin edellisessä tehtävässä. Nyt alkuarvotkin on annettu, joten vastauksessa ei ole vakioita C 1 ja C. Karakteristinen yhtälö: r + 6r + 5 = 0 r = 6 ± 6 4 1 5 = 6 ± 16 1 r 1 = 1, r = 5. = 6 ± 4 Homogeeniyhtälön (HY) yleinen ratkaisu y 0 (x). Kun karakteristisen yhtälön juuret ovat erisuuret reaaliluvut, niin y 0 (x) = C 1 e r 1x +C e r x. Nyt siis y 0 = C 1 e x +C e 5x Differentiyhtälön (DY) yksityisratkaisu y 1 (x). Tehdään yrite y 1 (x) = A (Yritetään vakiota, kun DY:n RHS on vakio) y 1 (x) = A y 1 (x) = 0 y 1 (x) = 0 Siis alkuperäisen DY:n eräs yksityisratkaisu on DY 0 + 6 0 + 5A = 100 y 1 (x) = 0. A = 0 Differentiyhtälön (DY) yleinen ratkaisu on y(x) = y 0 (x) + y 1 (x), siis y(x) = C 1 e x +C e 5x + 0, ja y (x) = C 1 e x 5C e 5x. Alkuarvot y(0) = 4 ja y (0) = antavat kaksi yhtälöä, joista C 1 ja C saadaan ratkaistua. { { { y(0) = 4 y (0) = C1 + C + 0 = 4 C 1 5C = C1 = 19.5 C = 3.5 Vastaus: y(x) = 19.5e x + 3.5e 5x + 0.

3. Tarkastellaan kulutustuotteen markkinoita. Tuotteen hinta on p ja määrä varastossa on q. Tuotteen kysyntä on D = a 1 b 1 p ja tarjonta on S = a + b p. Varaston muutosnopeus on q = S D. Varastoja pyritään pitämään keskimäärin suunnitellun kokoisena q e samoin hintaa pyritää ohjaamaan tavoitearvoonsa p e. Hintaa ohjataan tätä varten niin, että d p/dt = α(q e q) + β(p e p). Oletamme, että kaikki edellä esiintyneet vakiot a 1,b 1,a,b,q e,p e,α,β ovat positiivisia. Millainen tulee β:n arvon olla, jotta tasapaino olisi stabiili? Miten tasapaino riippuu tavoitehinnasta p e ja tavoitevarastosta q e. Mitä arvoa q lähestyy systeemin vakiintuessa? Muodostetaan vaiheittain hinnan p(t) aikakehitystä kuvaava differentiaaliyhtälö. Lähtökohta on tehtävässä annettu DY. (Huom kaikki derivaatat ovat nyt aikaderivaattoja, f = d f /dt.) p = α(q e q) + β(p e p) p = αq β p p = α(( a + b p) (a 1 b 1 p)) β p p + β p + α(b 1 + b )p = α(a 1 + a ) derivoidaan vielä kerran sijoitetaan q = S D p:t vasemmalle Tasapaino on stabiili, jos vakiokertoimisen DY:n kaikki kertoimet ovat positiivisia. Siis tasapaino on stabiili, jos β > 0. Tämä oli eräs tehtävän alkuoletuksista, joten voimme sanoa, että tasapaino on aina stabiili. Tämän differentiaaliyhtälön tasapainoratkaisu on DY:n yksityisratkaisu p 1 (t) = A, p 1 = 0 ja p 1 = 0. Sijoittamalla nämä DY:öön saadaan 0 + β 0 + α(b 1 + b )A = α(a 1 + a ) A = a 1 + a b 1 + b Siis tasapainohinta määräytyy kysynnästä ja tarjonnasta, eikä se riipu lainkaan tavoitehinnasta p e ja tavoitevarastosta q e. Lopulta, kun systeemi on päätynyt lähelle tasapainoa, niin DY toteutuu muodossa 0 = α(q e q) + β(p e A). Jos hinta oli alussa arvioitu väärin, niin varastokin vakiintuu eri arvoon kuin odotettiin. q q e = β ( p e a ) 1 + a α b 1 + b

4. Miten tehtävän 3 ratkaisu muuttuu, jos tuottajat reagoivat hitaasti ds/dt = γ(s e S), missä S e = a + b p Aloitamme taas samasta differentiaaliyhtälöstä p = α(q e q) + β(p e p) p = αq β p p = α(s a 1 + b 1 p) β p S = 1 α p β α p b 1 p + a 1 Derivoimme vielä kerran p = αs αb 1 p β p p = αγ(s e S) αb 1 p β p ( p = αγ [ a + b p] [ 1α p βα ]) p b 1 p + a 1 αb 1 p β p p = αγ ( a + b p + 1α p + βα ) p + b 1 p a 1 αb 1 p β p Järjestetään vielä p:tä ja sen derivaattoja sisältävät termit vasemmalle. DY menee silloin muotoon: p + (γ + β)p + (γβ + αb 1 )p + αγ(b 1 + b )p = αγ(a 1 + a ) Tasapainohinta on taas sama kuin edellä p tasap = (a 1 + a )/(b 1 + b ). Tasapainon stabiilisuudesta on nyt vaikeampi sanoa mitään helppoa. Emme ole tutkineet kolmannen kertaluvun differentiaaliyhtälöiden teoriaa. Kommentti: Differentiaaliyhtälön y +ay +by +cy = 0 analyysissä voimme merkitä y = u ja y = u = v. Saamme joukon differentiaaliyhtälöitä v = av bu cy u = v y = u v u y = a b c 1 0 0 0 1 0 } {{ } =A Jos sopivalla kannan vaihdolla matriisi A daataisiin diagonaaliseksi, niin DY:lle saataisiin samalla helposti käsiteltävä muoto. Diagonalisointi onnistuu ominaisarvohajoitelman avulla. Harjoituksen vuoksi kirjoitamme matriisin A karakteristisen yhtälön: v u y a r b c 1 r 0 0 1 r = 0 +( a r) (r 0) ( b) ( r 0) + ( c) (1 0) = 0 Saimme DY:n karakteristisen yhtälön! r 3 ar br c = 0

5. Miten tehtävän 3 ratkaisu muuttuu, jos asiakkaat lykkäävät ostojaan hinnan ollessa laskussa ja aientavat ostojaan hinnan ollessa nousussa. Mallinnamme asian seuraavasti Aloitamme samoin kuin edellä D = D 0 + c 1 p, missä D 0 = a 1 b 1 p p = α(q e q) + β(p e p) p = αq β p p = α(s D) β p p = α( a + b p (a 1 b 1 p + c 1 p )) β p Kertaluku ei nyt noussut yli kahden, joten johtopäätösten teko on helpompaa. Kun termit järjestetään normaaliin järjestykseen, menee DY muotoon Tasapainohinta ei taaskaan muuttunut p + (β αc 1 )p + α(b 1 + b )p = α(a + a 1 ) p tasap = a 1 + a b 1 + b. Jos (β αc 1 ) > 0, niin tasapaino on stabiili. Jos siis asiakkaat lykkäävät ostopäätöksiään liian usein (c 1 suuri) on vaara joutua epästabiiliin tilaan. Oikea lääke silloin on kasvattaa säätöjärjestelmän parametria β.

6. Tarkastellaan kulutustuotteen markkinoita. Tuotteen hinta on p ja määrä varastossa on q. Tuotteen kysyntä on D = a 1 b 1 p+c 1 p ja tarjonta on S = a +b p+c p. Varaston muutosnopeus on q = S D. Varastoja pyritään pitämään keskimäärin suunnitellun kokoisena q e. Hintaa ohjataan tätä varten niin, että d p/dt = α(q e q). Oletamme, että kaikki edellä esiintyneet vakiot a 1,b 1,c 1,a,b,c,q e,α ovat positiivisia. a) Kirjoita hinnan kehitystä kuvaava differentiaaliyhtälö. b) Olkoon a 1 = 00,b 1 = 5,c 1 = 1.00,a = 60,b = 8,c = 3.00,q e = 1000. Missä rajoissa parametrin α tulee olla jotta mallin ratkaisu ei oskilloisi? Aloitamme samoin kuin edellä p = α(q e q) p = αq p = α(s D) p = α(( a + b p + c p ) (a 1 b 1 p + c 1 p )) a) p + α(c c 1 )p + α(b 1 + b )p = α(a + a 1 ) Tasapainohinta on (yllätys-yllätys!) p tasap = a 1 + a b 1 + b. Tasapaino on stabiili, jos α(c c 1 ) > 0. Tasapaino on siis stabiili, jos tarjonta reagoi hinnan muutoksiin voimakkaammin kuin kysyntä. b) Annetuilla parametrien arvoilla DY saa muodon: p + α p + α 13 p = α 60 Karakteristinen yhtälö on r + αr + 13α = 0. Ratkaisu ei oskilloi, jos karakteristisen yhtälön juuret ovat reaaliset. Juuret ovat reaaliset, jos karakteristisen yhtälön diskriminantti on ei-negatiivinen. Siis ei oskilloi (α) 4 1 13α 0 4α(α 13) 0 α 13. Vaihtoehto α 0 jätetään nyt pois, koska tehtävän oletuksena oli, että kaikki mallin parametrit (myös α) ovat ei-negatiivisia. Vastaus: a) p + α(c c 1 )p + α(b 1 + b )p = α(a + a 1 ), b) α 13.